ANALYSIS OF WHEY CRYOCONCENTRATION AT SEVERAL SUCCESSIVE STAGES
Authors:
1.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 87
to 92
Status:
Published
Received:
23.07.2017
Accepted:
23.07.2017
Published:
23.07.2017
Subject area:
UDK 637.344
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Cryoconcentration, whey, temperature, separation freezing out
Abstract (English):
In Russia, more than 50% of whey is drained as a waste product, which brings no profit and poses a threat to the environment. One possible solution to this problem is the introduction of technology of separation freezing out. The present paper is devoted to the research on the effectiveness of cryoconcentration of whey using a multistep method. Experiments were performed on separation freezing out of whey in a capacitive crystallizer. Freezing out was carried out in three stages At the first stage a coolant temperature was -4°C, at the second stage it was -5.5°C, at the third stage it was -7°C. The duration of each step was 180 min. The nonlinear relationship between the thickness of the layer of ice on the heat exchange surface and the length of whey crystallization has been established. The corresponding regression equation has been developed. Physical and chemical indices of concentrates and ice formed have been defined. It has been found that the three-stage separation freezing out improves solids content of the whey by 2 times. The structure of the resulting ice has been studied. It has been found that the ice structure is more solid when the process of freezing out is slow. The value of solids losses during separation freezing out of whey has been determined. They are 37.7, 29.5 and 27.4% of the initial content at the first, second and third stages, respectively. In this case the losses of protein and lactose at the first and third stages of concentration are approximately the same and constitute 21-25%. They are a bit higher (28-33%) at the second stage.
In Russia, more than 50% of whey is drained as a waste product, which brings no profit and poses a threat to the environment. One possible solution to this problem is the introduction of technology of separation freezing out. The present paper is devoted to the research on the effectiveness of cryoconcentration of whey using a multistep method. Experiments were performed on separation freezing out of whey in a capacitive crystallizer. Freezing out was carried out in three stages At the first stage a coolant temperature was -4°C, at the second stage it was -5.5°C, at the third stage it was -7°C. The duration of each step was 180 min. The nonlinear relationship between the thickness of the layer of ice on the heat exchange surface and the length of whey crystallization has been established. The corresponding regression equation has been developed. Physical and chemical indices of concentrates and ice formed have been defined. It has been found that the three-stage separation freezing out improves solids content of the whey by 2 times. The structure of the resulting ice has been studied. It has been found that the ice structure is more solid when the process of freezing out is slow. The value of solids losses during separation freezing out of whey has been determined. They are 37.7, 29.5 and 27.4% of the initial content at the first, second and third stages, respectively. In this case the losses of protein and lactose at the first and third stages of concentration are approximately the same and constitute 21-25%. They are a bit higher (28-33%) at the second stage.
Keywords:
Cryoconcentration, whey, temperature, separation freezing out
Cryoconcentration, whey, temperature, separation freezing out
Молочная сыворотка представляет собой уни- кальный продукт, содержащий широкий спектр биологически активных питательных веществ в сбалансированном соотношении. Достаточная ка- лорийность и хорошая усвояемость обусловливают высокую пищевую ценность данного продукта. Из белкового компонента можно выделить казеин, содержание которого составляет порядка 0,3 %, и сывороточные белки (с концентрацией около 0,36 %), в которые входит ангиогенин (0,5-1,2 мг/г) и лактоферрин (0,08 мг/мл) [1]. Аминокислотный состав белков молочной сыворотки схож с амино- кислотным составом мышечной ткани человека. Концентрация незаменимых аминокислот в сыворо- точных белках (валин, изолейцин, лейцин) выше, чем в других белках растительного и животного происхождения. В молочной сыворотке содержание некоторых витаминов (рибофлавина, пиридоксина, аскорбиновой кислоты) превышает их содержание в цельном молоке (табл. 1), что обусловлено специфи- ческим действием молочнокислых бактерий [1]. По данным Международной молочной ассоциа- ции из 140 млн. т. молочной сыворотки, произво- димой во всем мире, до 50 % сливается как отходы производства. По экспертной оценке на территории России этот показатель достигает 80 % [2]. Таким образом, на сегодняшний день объемы сливаемой молочной сыворотки эквивалентны потере более 1,5 млн. тонн молока. Это является не только эко- номически невыгодным, но и несет угрозу окружа- ющей среде, так как ее загрязняющая способность в 100-500 раз больше, чем у бытовых сточных вод. Стоит также отметить, что материальные затраты на утилизацию сливаемой молочной сыворотки на очистных сооружениях России составляют порядка 12-15 млрд. руб. в год. Таким образом, наблюдается увеличение концентра- ции незамерзшей части раствора. При криокон- центрировании наблюдаются минимальные биохи- мические изменения, что обусловливает высокое качество получаемых продуктов [3, 4, 5]. Другим достоинством разделительного вымораживания яв- ляются относительно низкие энергозатраты. Так, например, по сравнению с выпариванием величина энергетических затрат сокращается в разы, посколь- ку удельная теплота плавления составляет 340 кДж/кг, в то время как удельная теплота парооб- разования - 2300 кДж/кг [6]. Помимо этого, по- скольку криоконцентрирование протекает при отри- цательных температурах, то резко замедляются про- цессы коррозии, что дает возможность использовать более дешевый конструкционный материал [7, 8]. Таким образом, целью работы является иссле- дование эффективности применения метода криоконцентрирования для молочной сыворотки. Объекты и методы исследования В качестве объекта исследования выступала мо- лочная сыворотка. Для проведения эксперимен- тальных исследований по разделительному вымо- раживанию использовалась установка, принципи- альная схема которой представлена на рис. 1. Витамины Молочная сыворотка Цельное молоко Тиамин (В1) 0,37 0,45 Рибофлавин (В2) 2,00 1,50 Пиридоксин (В6) 1,30 0,33 Кобаламин (В12) 2,60 4,00 Аскорбиновая кислота (С) 4,70 1,50 Ретинол (А) 0,04 0,25 Токоферол (Е) 0,29 0,85 Биотин (Н) 0,01 56,00 Холин 662,00 313,00 Таблица 1 Витаминный состав молока и сыворотки Исходя из вышесказанного, можно заключить, что в настоящее время для пищевой промышлен- ности является актуальным вопрос о разработке и внедрении эффективных методов переработки мо- лочной сыворотки [2]. Возможным решением дан- ного вопроса является внедрение эффективных технологий переработки сыворотки, одним из ко- торых является криоконцентрирование. Сущность данного метода состоит в том, что в процессе кристаллизации влаги происходит вытеснение твердой фазой молекул растворенного вещества. Рис. 1. Принципиальная схема емкостного криоконцентратора: 1 - компрессор, 2 - конденсатор, 3 - фильтр-осушитель, 4 - терморегулирующий вентиль, 5 - вентиль трубопровода слива, 6 - сливной трубопровод, 7 - теплоизоляция, 8 - хладоноситель, 9 - змеевиковый испаритель, 10 - ТЭН, 11 - рабочая емкость, 12 - теплоизоляционная крышка Концентрируемый продукт заливается в рабо- чую емкость 11, которая закрывается теплоизоля- ционной крышкой 12. Для осуществления процесса кристаллизации тепло от продукта отводится за счет работы холодильной машины, состоящей из компрессора 1, конденсатора 2, фильтра-осушителя 3, терморегулирующего вентиля 4 и испарителя 9, обмотанного вокруг рабочей емкости 11. После завершения процесса кристаллизации холодильная машина останавливается, и открывается вентиль 5 для слива незамерзшей части продукта (концен- трат) через трубопровод 6. После этого на ТЭНы 10 подается ток и осуществляется плавление льда на стенках цилиндрической емкости. Оттаявший лед также удаляется из емкости через трубопровод 6. Для автоматического поддержания температуры в охлаждаемом объеме использовался измеритель- регулятор 2ТРМ-1 в наружном исполнении, в ка- честве датчиков температуры применялись термо- метры сопротивления ТСМ100М. Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис. 2. Рис. 2. Электрическая схема криоконцентратора Для повышения степени концентрирования использовалось трехступенчатое вымораживание. При этом исходили из предположения о том, что на каждой последующей ступени концентриро- вания необходимо понижать температуру хладо- носителя, что вызвано снижением криоскопи- ческой температуры концентрата. Продолжи- тельность каждой из ступеней криоконцентриро- вания составляла 180 мин. В каждом из опытов использовалось одинаковое количество молочной сыворотки «Волжаночка», равное 3 л. На первой ступени температура хладоносителя составляла минус 4 °С, на второй ступени - минус 5,5 °С, на третьей - минус 7 °С. Продолжительность вымо- раживания на каждый из ступеней составляла 180 мин. Плотность сыворотки определяли ареометром. Перевод значения плотности, измеряемой в соот- ветствии с ГОСТ 3625-84, в массовую долю сухих веществ молочной сыворотки осуществляли в соот- ветствии с табл. 4 в ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворот- ка молочная. Технические условия». Массовую долю лактозы определяли рефрактометрически с помощью рефрактометра ИРФ-22. Результаты и их обсуждение Вначале был проведен физико-химический анализ исходной молочной сыворотки, по ре- зультатам которых были определены следующие показатели: плотность - 1,032 г/см3; показатель преломления - 1,3395; массовая доля сухих веществ - 7,25 %; массовая доля лактозы - 5,08 %. По физико-химическим показателям исследу- емая сыворотка соответствовала нормам, изло- женным в ГОСТ Р 53438-2009. Далее проводились эксперименты по крио- концентрированию молочной сыворотки. Через каждые 30 минут проводился замер толщины об- разовавшегося слоя льда. Измерение проводи- лось в 8 местах, расположенных по всей длине окружности емкости на одинаковом расстоянии. За конечное значение толщины слоя льда прини- малось среднее арифметическое от данных заме- ров. На рис. 3 приведены графики изменения толщины слоя льда при первичном, вторичном и третичном концентрировании молочной сыво- ротки. Установлена нелинейная зависимость между толщиной слоя льда на теплообменной поверх- ности и продолжительностью кристаллизации сыворотки. При первичном криоконцентрирова- нии через 180 мин. толщина слоя льда составила 22 мм, что соответствует 1,57 кг вымороженной воды. В случае вторичного и третичного концен- трирования толщина образованного льда соста- вила 26 и 28 мм, что эквивалентно 1,81 и 1,92 кг вымороженной воды. 30 Толщина льда, мм 25 20 15 10 5 0 0 30 60 90 120 150 180 Продолжительность процесса, мин. Первичное Вторичное Третичное Рис. 3. Графики изменения толщины слоя льда при ступенчатом криоконцентрировании молочной сыворотки Графики, приведенные на рис. 3, могут быть описаны следующими уравнениями регрессии: 1 - 0,00053 2 0,212 0,548; R 2 995; 2 -0,00062 2 0,254 0,167; R 2 997; (1) 3 -0,00071 2 0,281 0,214; R 2 998. где δ1, δ2, δ3 - толщина слоя льда соответственно на 1, 2 и 3 ступени концентрирования, мм.; τ - продолжительность концентрирования, мин. Используя формулы 1 можно вычислить сред- нюю скорость изменения толщины слоя льда следующим образом: v i i 1 , (2) где δi - толщина слоя льда в i-момент времени, мм; τ - промежуток времени, за который про- изошло изменение толщины слоя льда от δi-1 до δi, час. Соответствующие графики приведены на рис. 4. Скорость изменения толщины льда, мм/час 20 18 16 3 14 12 10 8 6 1 4 2 2 0 ходного содержания. После второй ступени вымо- раживания концентрация сухих веществ увеличи- лась еще на 24 %, белка и лактозы - на 60 и 56 %, что значительно выше, чем после концентрирова- ния на первой ступени. После третьей ступени раз- делительного вымораживания содержание сухих веществ повысилось еще на 19 %. При этом степень концентрирования белка и лактозы ниже, чем на второй ступени, и составляет 12 и 18 % соответ- ственно. Таким образом, трехступенчатое раздели- тельное вымораживание позволяет повысить со- держание сухих веществ в 2 раза. Образующийся в данном процессе лед может направляться на по- вторное концентрирование с целью снижения по- терь сухих веществ. На рис. 5 приведены фотографии структуры об- разующегося ледяного массива. 0 30 60 90 120 150 180 Продолжительность процесса, мин. Рис. 4. Графики расчетной скорости изменения толщины слоя льда при первичном (1), вторичном (2) и третичном (3) криоконцентрировании молочной сыворотки Наибольшая скорость образования льда наблюдается на протяжении первых 30 мин про- цесса и составляет 12-18 мм/час. Через 180 мин. после начала процесса кристаллизации этот пока- затель снижается до 3-4 мм/час. Так как на каж- дой последующей ступени температура хладоно- сителя снижается, то скорость образования льда повышается. Однако с другой стороны при пере- ходе от ступени к ступени концентрация продук- та увеличивается, что обусловливает снижение криоскопической температуры и некоторое за- медление процесса кристаллизации. Далее были определены физико-химические показатели образуемых концентратов и льда. Ре- зультаты анализа представлены в табл. 2. Таблица 2 Физико-химический состав продуктов криоконцентрирования молочной сыворотки Продукт Жир, г/100 г Белок, г/100 г Лактоза, г/ 100 г Сухие вещества, % Исходная сы- воротка 0,101 0,73 5,08 7,25 1-й кристалли- зат 0,097 0,43 2,85 5,8 1-й концентрат 0,123 0,82 5,63 9,75 2-й кристалли- зат 0,059 0,6 4,2 6,1 2-й концентрат 0,083 1,31 8,8 12,07 3-й кристалли- зат 0,083 0,73 5,08 7,02 3-й концентрат 0,092 1,47 10,37 14,37 После первой ступени разделительного вымо- раживания концентрация сухих веществ в сыво- ротке повысилась на 34 %. При этом содержание белка и лактозы повысилось на 12 и 11 % от иса б в Рис. 5. Фотографии структуры льда, образующегося после первой (а), второй (б) и третьей (в) ступени криоконцентрирования молочной сыворотки После первой ступени концентрирования на внутренней стороне рабочей емкости образуется цилиндрический массив с ровными стенками, на которых наблюдаются частицы свернувшегося бел- ка (белые включения). При вторичном криоконцен- трировании сыворотки образующийся лед в начале имеет плотную консистенцию, но под конец экспе- римента намерзал тонкими слоями, которые не- плотно смерзались с основной массой. После тре- тьей ступени концентрирования образуется плот- ный лед с вкраплениями свернувшегося белка, большая концентрация которых наблюдается в верхней части. Также как и на второй ступени под конец процесса вымораживания формируются не- плотные слои льда. На рис. 5в можно наблюдать данные слои льда, которые отошли от основной массы в процессе удаления концентрата из рабочей емкости. Снижение температуры охлаждающей по- верхности с одной стороны интенсифицирует процесс кристаллизации, а с другой - снижает эффективность концентрирования вследствие увеличения потерь сухих веществ в образующем- ся льду. Для оценки данного фактора были про- ведены расчеты потерь сухих веществ ξ по сле- дующей формуле Cл mл 100% , (3) Сн mн где Сл - содержание сухих веществ во льду, %; Сн - содержание сухих веществ в исходном раство- ре, %; mл - масса образованного льда, кг; mн - ис- ходная масса раствора, кг. По формуле (3) возможно проводить расчет не только по общему содержанию сухих веществ, но и по содержанию определенного компонента, напри- мер белка. Для этого в переменные С и m подстав- ляются соответствующие показатели по данному компоненту. В табл. 3 приведены результаты расчета потерь сухих веществ для всех трех ступеней концентри- рования. Таблица 3 Потери сухих веществ при разделительном вымораживании молочной сыворотки, % Величина потерь: Номер ступени концентрирования 1 2 3 по белку 22,3 27,7 21,1 по лактозе 24,5 32,6 25,2 по сухим веществам 37,7 29,5 27,4 Из представленных данных следует, что на каж- дой последующей ступени концентрирования сни- жаются общие потери сухих веществ. При этом по белку и лактозе на первой и третьей ступени кон- центрирования потери приблизительно одинако- вые, а на второй ступени они несколько выше. Таким образом, были исследованы процессы трехступенчатого криоконцентрирования молочной сыворотки при последовательном снижении темпе- ратуры охлаждающей поверхности. Приведена структура образующегося льда, исследован физико- химический состав концентрата и кристаллизата, разработаны уравнения регрессии, позволяющие определить толщину слоя льда в зависимости от времени процесса. Установлено, что потери сухих веществ снижаются на каждой последующей сту- пени вымораживания: на первой, второй и третьей ступени они составляют 37,7; 29,5 и 27,4 % соот- ветственно. Предложенная технология позволяет повысить степень концентрации сухих веществ в 2 раза. При этом образующийся лед может направ- ляться на повторное вымораживание с целью сни- жения потерь сухих веществ.
1. Hramcov, A.G. Fenomen molochnoy syvorotki / A.G. Hramcov. - SPb.: Professiya, 2011. - 804 s.
2. Molochnaya syvorotka v Rossii: problemy pererabotki i perspektivy rynka (http://www.abercade.ru/).
3. Fedorov, D.E. Razrabotka nizkotemperaturnoy tehnologii vydeleniya gemoglobina iz krovi uboynyh zhivotnyh: diss. … kand. tehn. nauk: 05.18.04 / Fedorov Dmitriy Evgen'evich. - Kemerovo, 2014. - 136 s.
4. Korotkiy, I.A. Issledovanie processov kriokoncentrirovaniya molochnoy syvorotki / I.A. Korotkiy, P.A. Gun'ko, D.E. Fedorov // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2014. - № 1. - S. 148-153.
5. Korotkiy, I.A. Razdelitel'noe vymorazhivanie pri pererabotke obezzhirennogo moloka / I.A. Korotkiy, E.V. Korotkaya, O.M. Mal'ceva // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2015. - № 10. - S. 115-121.
6. Korotkaya, E.V. Effektivnost' proizvodstva iskusstvennogo holoda v razdelitel'nyh vymorazhivayuschih usta- novkah // E.V. Korotkaya, M.G. Kurbanova // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2016. - T. 43. - № 4. - S. 116-123.
7. Luginin, M.I. Razrabotka i issledovanie struynogo kriokoncentratora zhidkih produktov: diss.. kand. teh. nauk: 05.04.03 / Luginin Mihail Igorevich. - Krasnodar, 2008. - 138 s.
8. Filatkin, V.N. Razdelitel'nye vymorazhivayuschie ustanovki / V.N. Filatkin, V.T. Plotnikov. - M.: Agroprom- izdat, 1987. - 353 s.
